i
TUGAS AKHIR – TF 145565RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING DAN
AKUISISI DATA TEMPERATUR DI KOMPONEN
KONDENSOR DAN EVAPORATOR PADA
AIR
CONDITIONING LABORATORY UNIT
PA HILTON
A575
LUFI IZZATI AINI
NRP. 2412 031 027 Dosen Pembimbing
Dr. RIDHO HANTORO, S.T., M.T.
PROGRAM STUDI D3 METROLOGI DAN INSTRUMENTASI JURUSAN TEKNIK FISIKA
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2015
ii
FINAL PROJECT – TF 145565DESIGN OF TEMPERATURE MONITORING SYSTEM
AND DATA ACQUISITION IN PART OF CONDENSOR
AND EVAPORATOR AIR CONDITIONING
LABORATORY UNIT PA HILTON A575
LUFI IZZATI AINI
NRP. 2412 031 027
Supervisor
Dr.RIDHO HANTORO, S.T., M.T.
DIPLOMA OF METROLOGY AND INSTRUMENTATION ENGINEERING Department Of Engineering Physics
Faculty of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2015
v
EVAPORATOR PADA AIR CONDITIONING LABORATORY UNIT PA HILTON A575
Nama Mahasiswa : Lufi Izzati Aini
NRP : 2412031 027
Program Studi : D3-Metrologi dan Instrumentasi Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr.Ridho Hantoro, ST, MT Abstrak
Pengkondisian udara nyaman adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur temperatur, kelembaban, kebersihan dan pendistribusiannya untuk mencapai kondisi nyaman. Pengkondisian udara saling berkaitan dengan bidang refrigerasi, suatu simulator atau alat pengkondisian udara dapat menghasilkan udara nyaman ketika bidang refrigerasinya bekerja dengan baik. Air Conditioning Laboratory unit Pa Hilton A575 merupakan simulator pengkondisian udara yang dilengkapi dengan berbagai proses-proses psikrometrik seperti pemanas (heating), pendingin (cooling), penambahan dan pengurangan kandungan air di udara (humidifying-dehumidifying). Oleh karena itu dibutuhkan suatu perancangan alat untuk mengetahui nilai temperatur di komponen kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory unit A575. Pada penelitian ini telah dilakukan perancangan sistem monitoring dan akuisisi data temperatur di komponen kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575 dengan menggunakan sensor LM35, arduino uno 328, sebagai display LCD 16 x 2 dan terhubung dengan software Visual Studio 2010 serta akuisisi data menggunakan software Microsoft access. Alat ukur hasil rancang bangun ini memiliki ketidakpastian sebesar ± 0,13°C dengan tingkat kepercayaan 95%. Berdasarkan hasil perhitungan dari data temperatur, didapat nilai COP 6,04 pada temperatur kondensor 34,50°C dan temperatur evaporator 29,60°C. Nilai COP tersebut diketahui lebih besar dari nilai COP Standar ASHARE yaitu sebesar 3,05. Dapat disimpulkan bahwa sistem refrigerasi yang bekerja pada Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575 masih dapat berfungsi dengan baik.
Kata kunci: Pengkondisian Udara Nyaman, Air Conditioning Laboratory, Temperatur
vi
AND EVAPORATOR AIR CONDITIONING LABORATORY UNIT PA HILTON A575 Name : Lufi Izzati Aini
NRP : 2412031 027
Study of Program : D3-Metrologi dan Instrumentasi Department : Teknik Fisika FTI-ITS
Supervisor : Dr.Ridho Hantoro, ST, MT Abstrak
Comfort air conditioning is the process of handling the air to regulate temperature, humidity, cleanliness, and distribution for comfortable condition. Comfort air conditioning related with refrigeration, a simulator of air conditioning can generate a comfortable air when part of refrigeration works well. Air Conditioning Laboratory unit Pa Hilton A575 is an air conditioning simulator equipped with a variety of processes such as heating (heating), cooling (cooling), increasing and decreasing water content of air (humidifying-dehumidifying). Therefore we need a design to determine the temperature value in the condenser and evaporator components of Air Conditioning Laboratory unit A575. This research has been conducted design of temperature monitoring system and data acquisition in part of condensor and evaporator air conditioning laboratory unit pa Hilton a575 components using LM35 sensor, arduino uno 328, as a display is LCD 16 x 2 and connecting with visual studio 2010 software and data acquisition using Microsoft access software. The design of measuring system has uncertainties ± 0.13 ° C with a 95% confidence level. Based on calculation of temperature value, obtained the COP value 6.04 at condensor temperature 34.50 ° C and evaporator temperature 29.60 ° C. The COP values are greater than value of COP ASHARE standard by 3.05. It can be concluded that the refrigeration system that works on the Air Conditioning Laboratory Unit Pa Hilton is still able to function properly.
Keywords : Comfort Air Conditioning, Air Conditioning Laboratory, Temperature
vii
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya serta shalawat dan salam kepada Nabi Muhammad SAW sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Monitoring dan Akuisisi Data di Komponen Kondensor dan Evaporator pada
Air Conditioning
Laboratory Unit
PA Hilton A575
”. Penulis telah banyakmendapatkan bantuan dari berbagai pihak dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Keluarga tercinta, Ibu Imlatul Hasanah, Abi Munawar, adek Achmad Syahid Mikael atas segala dukungan, semangat, serta Do’a yang selalu ada untuk penulis
2. Bapak Dr. Ir. Totok Soehartanto, DEA, selaku Ketua Jurusan Teknik Fisika ITS, Bapak Dr. Ir. Purwadi Agus Darwinto., Msc selaku Kepala Prodi D3 Metrologi dan Instrumentasi serta Bapak Ir. Syamsul Arifin M.T. selaku dosen wali penulis yang telah sabar memberikan dukungan, bimbingan, serta ilmu yang sangat bermanfaat.
3. Bapak Dr. Ridho Hantoro, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang senantiasa memberikan motivasi, bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak dan Ibu dosen Teknik Fisika yang telah memberikan
ilmu selama kuliah.
5. Seluruh Staf Jurusan Teknik Fisika yang telah membantu penulis dalam hal administrasi.
6. Teman-teman seperjuangan dalam mengerjakan Tugas Akhir Aulia Perdana Sari dan Okky Aggassy Firmansyah terima kasih atas kesabaran, semangat, dan bantuan yang telah diberikan kepada penulis.
7. Teman-teman asisten Laboratorium Pengukuran Fisis angkatan 2011-2013 yang senantiasanya memberi semangat serta bantuan dalam proses pengerjaan tugas Akhir
8. Dina, Avka, Gamal, Denys, Icha, Rio, dan teman-teman D3 Metrologi dan Instrumentasi (D3mensi) 2012 yang bersedia membagi semangat, motivasi, keceriaan, serta bantuannya dalam proses tugas akhir.
9. Keluarga Timeless Fidelity yang senantiasa memberi semangat selama kuliah hingga tugas akhir
10. Riyo Hussain Muhammad yang telah selalu memberi semangat dan dukungannya kepada penulis
11. Serta seluruh Mahasiswa Teknik Fisika ITS yang tidak dapat disebutkan satu persatu terimakasih atas bantuan dan do’anya selama ini.
Penulis menyadari bahwa penulisan laporan Tugas Akhir ini tidaklah sempurna. Oleh karena itu sangat diharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak sehingga mencapai sesuatu yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat menambah wawasan yang bermanfaat bagi pembacanya.
Surabaya, 30 Juli 2015
ix
Hal
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
ABSTRAK ... v
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
BAB I. PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Permasalahan... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan ... 2
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Pengkondisian Udara ... 5
2.2 Refrigerasi... 5
2.2.1 Evaporator ... 7
2.2.2 Kompresor ... 8
2.2.3 Kondensor ... 9
2.2.4 Ekspansion Valve (Katup Ekspansi)... 9
2.2.5 Coefficient of Performance (COP) ... 10
2.2.6 Standar COP ASHARE... 11
2.2.7 Refrigeran... 13
2.3 Pengukuran, Kalibrasi dan Ketidakpastian ... 14
2.3.1 Struktur Sistem Pengukuran ... 14
2.3.2 Karakteristik Pengukuran ... 15
2.3.3 Kalibrasi ... 18
2.3.4 Analisis Ketidakpastian ... 19
2.4 Temperatur ... 22
2.5 Sensor LM35 ... 22
2.6 Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575 ... 23
2.8 LCD (Liquid Crystal Display) Ukuran 16 x 2 ...25
2.9 Microsoft Visual Studio 2010...27
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 29
3.1 Diagram Alir Perancangan Alat ...29
3.2 Keterangan Flowchart...30
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 43
4.1 Analisa Data...43
4.1.1 Hasil Rancang Bangun Sistem Monitoring Temperatur ...43
4.1.2 Pengujian Alat Ukur ...45
4.1.3 Data Spesifikasi Alat ...48
4.1.4 Data Kalibrasi Alat Sistem Monitoring Temperatur ...51
4.1.5 Monitoring Temperatur di komponen kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575...55
4.2 Pembahasan ...58
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 61
5.1 Kesimpulan ...61
5.2 Saran ...61
DAFTAR PUSTAKA ... 66 LAMPIRAN A (Data Pengujian Alat dan Kalibrasi) ... A-1 LAMPIRAN B (Listing Program Mikrokontroller dan
Microsoft Visual Studio 2010) ... B-1 LAMPIRAN C (Datasheet) ... C-1 LAMPIRAN D (Data Monitoring danAkuisisi
Data Temperatur di komponen kondensor dan evaporator Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575) ... D-1 BIODATA PENULIS
xiii
Tabel 2.1 Tabel COP berdasarkan Standar ASHARE 12
Tabel 2.3 Pin LCD16x2 25
Tabel 4.1 Tabel Data Voltase LM35 45
Tabel 4.2 Data Pengujian Alat 47
Tabel 4.3 Tabel Karakteristik Statik Alat 49 Tabel 4.4 Data Kalibrasi Alat Ukur 51 Tabel 4.5 Tabel Variasi Temperatur pada Kondensor
dan Evaporator 56
xi
Gambar 2.1 Siklus Refrigerasi 6 Gambar 2.2 777 Komponen Evaporator 7
Gambar 2.3 Komponen Kompresor 8
Gambar 2.4 Komponen Kondensor 9
Gambar 2.5 Komponen Katup Ekspansi 10 Gambar 2.6 Blok Diagram Sistem Pengukuran 14 Gambar 2.7 Grafik Non-Linieritas 17
Gambar 2.8 Grafik Histeresis 17
Gambar 2.9 Definisi Resolusi 18
Gambar 2.10 Sensor LM35 23
Gambar 2.11 Rangkaian LM35 dengan Arduino Uno 23 Gambar 2.12 Skema Peralatan AC Laboratory Unit PA
PA Hilton A575 24
Gambar 2.13 Board Arduino Uno 25
Gambar 2.14 Gambar LCD 16x2 27
Gambar 2.15 Tampilan Microsoft Visual Studio 2010 28 Gambar 3.1 Skema diagram alir penelitian Tugas Akhir 30 Gambar 3.2 Rangkaian Non-Inverting 31 Gambar 3.3 Termometer Digital APPA51 32 Gambar 3.4 Diagram Blok Alat Ukur Temperatur 33 Gambar 3.5 Rangkaian Sensor LM35 34 Gambar 3.6 Software Arduino 1.0.6 35 Gambar 3.7 Tampilan Form Awal Software 37 Gambar 3.8 Tampilan Form Login Software 37 Gambar 3.9 Tampilan Menu Software 38 Gambar 3.10 Tampilan Utama Penampil Data
Sistem Monitoring Temperatur 38 Gambar 3.11 Tampilan Form Grafik Data Sistem
Monitoring Temperatur
39 Gambar 3.12 Tampilan Database pada Microsoft Access 40 Gambar 4.1 Alat Ukur Temperatur 43 Gambar 4.2 Hardware Sistem Monitoring Temperatur 44 Gambar 4.3 Box Sistem Monitoring Temperatur 44 Gambar 4.4 Grafik pengujian voltase dan temperatur 46
Gambar 4.5 Grafik Pembacaan Alat dan Pembacaan Standar Alat Ukur Temperatur 48 Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Pembacaan Alat dan
1 1.1 Latar Belakang
Bidang refrigerasi dan pengkondisian udara saling berkaitan satu sama lain. Teknik pengkondisian udara tidak hanya berfungsi sebagai pendingin tetapi lebih daripada itu. Definisi pengkondisian udara nyaman (comfort air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur temperatur, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada di dalamnya. Fungsi pengkondisian udara bervariasi antara lain sebagai pengkondisian udara pada bidang industri, laboratorium lingkungan, pengkondisian udara rumah tinggal, pengkondisian udara untuk kendaran dan lain sebagainya.
Daur refrigerasi merupakan suatu pembatas yang tidak dapat dilebihi jika melakukan kerja diantara dua temperatur tertentu. Mesin carnot menerima energi kalor pada temperatur tinggi, merubah sebagian menjadi kerja, dan kemudian mengeluarkan sisanya sebagai kalor pada temperatur yang lebih rendah. Daur refrigerasi carnot terdiri dari proses-proses reversible yang menjadikan efesiensinya lebih tinggi dari yang dapat dicapai oleh daur nyata.
Sebelum menentukan nilai terhadap prestasi suatu sistem refrigerasi, terlebih dahulu harus ditetapkan ukuran keefektifannya. Indeks prestasi ini tidak sama dengan efesiensi, karena ukuran tersebut biasanya hanya menggambarkan perbandingan keluaran dan masukan. Namun, konsep indeks prestasi pada daur refrigerasi sama dengan efesiensi yang menyatakan perbandingan antara jumlah hasil yang diinginkan dengan jumlah pengeluaran. Istilah prestasi di dalam daur refrigerasi disebut dengan koefisien prestasi (coefficient of performance). Koefesien prestasi yang tinggi sangat diharapkan karena hal itu menunjukkan bahwa sejumlah tertentu refrigerasi memerlukan sejumlah kerja yang kecil.
Pada daur refrigersi carnot untuk mencapai tingkat koefisien prestasi yang tinggi hendaklah daur refrigerasi carnot bekerja pada temperatur T1 yang tinggi dan T2 yang rendah. Temperatur yang berada di komponen kondensor harus selalu dalam kondisi temperatur dimana temperaturnya lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur yang berada di komponen evaporator.
Oleh karena itu dalam tugas akhir ini akan dirancang dan dibangun sistem monitoring dan akuisis data temperatur di komponen kondensor dan evaporator dimana pada dua tempat itu berada T1 dan T2 . Alat ukur ini menggunakan sensor LM35 yang akan mengubah inputan yang berupa temperatur menjadi besaran fisis agar bisa ditampilkan.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan yang diangkat dalam Tugas Akhir ini yaitu bagaimana cara merancang dan membangun sistem monitoring dan akuisisi data temperatur di komponen kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory Unit Pa Hilton A575.
1.3 Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penyelesaian masalah pada penelitian tugas akhir ini maka batasan masalah yang diangkat adalah sebagai berikut :
1. Alat yang dirancang dan dibangun hanya memiliki fungsi untuk mengukur dan menitoring temperatur di komponen kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory Unit Pa Hilton A575.
2. Sensor yang digunakan pada alat ukur ini yaitu sensor LM35. 3. Alat ukur yang hanya memonitoring hasil pengukuran
temperatur melalui layar penampil/display.
4. Software yang digunakan dalam akuisisi data yaitu Microsoft Visual Studio 2010 dan Microsoft Access 2010
1.4 Tujuan
Tujuan tugas akhir ini yaitu merancang dan membangun sistem monitoring dan akuisisi data temperatur di komponen
kondensor dan evaporator pada Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575. Data hasil monitoring digunakan untuk mengetahui nilai koefisiensi performansi dari sistem refrigerasi pada Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575.
5
2.1 Pengkondisian Udara
Bidang refrigerasi dan pengkondisian udara saling berkaitan satu sama lain, tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup yang berbeda. Teknik pengkondisian udara tidak hanya berfungsi sebagai pendingin tetapi lebih daripada itu. Definisi pengkondisian udara nyaman (Comfort air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada di dalamnya. Fungsi pengkondisian udara bervariasi antara lain sebagai pengkondisian udara pada bidang industri, laboratorium lingkungan, pengkondisian udara rumah tinggal, pengkondisian udara untuk kendaraan dan lain sebagainnya.
Heating, Ventilation, Air Conditoning suatu sistem yang terdiri dari tiga kesatuan yaitu pemanasan, ventilasi dan pengkondisian udara yang berfungsi untuk memberikan kenyamanan termal dan menjaga kualitas udara dalam ruangan yang baik. Terkadang HVAC bisa diartikan sebagai kontrol iklim karena memberikan pemanasan, pendinginan, kontrol kelembaban, filtrasi, udara segar, membangun kontrol tekanan, dan kontrol kenyamanan. HVAC memiliki peran penting untuk konsumsi energi di dalam gedung-gedung. Sistem HVAC adalah komponen penting dari bangunan karena dapat mengatur kondisi yang berkaitan dengan kesehatan penghuni seperti tingkat karbondioksida dan tingkat kelembaban serta kenyamanan penghuni seperti suhu dan udara yang mengalir (Schiavon, 2010).
2.2 Refrigerasi
Refrigerasi adalah suatu usaha untuk mencapai atau memperoleh dan menjaga temperatur lebih rendah dari temperatur atmosfer lingkungan atau sama dengan memindahkan panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi dengan melakukan kerja terhadap sistem.
Dalam sistem refrigerasi dikenal dua siklus yaitu siklus kompresi uap dan refrigerasi absorbs. Siklus refrigerasi absorbs memiliki ciri yang sama dengan siklus kompresi-uap tetapi berbeda dalam dua aspek. Pertama dalam hal proses kompresi, refrigerant dalam sistem ini diabsorp/diserap oleh zat kedua yang disebut absorbent untuk membentuk larutan cair. Larutan cair kemudian dipompa ke tekanan yang lebih tinggi. Karean volume spesifik rata-rata larutan cair lebih rendah dari uap maka kerja yang dibutuhkan juga lebih rendah, karena itu sistem absorpsi mempunyai keuntungan dalam hal kerja input yang kecil dibandingkan terhadap sistem kompresi uap. Perbedaan lainnya yaitu beberapa cara harus dilakukan pada sistem untuk absorpsi untuk mengangkat uap dari larutan cair sebelum refrigerant memasuki kondensor. Cara yang dilakukan mungkin dengan menggunakan sumber panas dari luar seperti panas dari pembakaran gas alam atau bahan.
Gambar 2.1. Siklus Refrigerasi
Keterangan Gambar 2.1. : a. Proses 1-2
Refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor, uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap super panas dengan temperatur yang tinggi, lebih tinggi dari
temperature lengkungan sehingga pembuangan panas bisa berlangsung.
b. Proses 2-3
Setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fase panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk merubah wujudnya menjadi cair (kondensasi), kalor harus dilepaskan ke lingkungan melalui alat yang disebut dengan kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah dari pada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan refrigeran akan mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengalami proses pengembunan menjadi refrigeran cair. Refrigeran keluar kondensor sudah berupa refrigeran cair. Proses kondensasi berlangsung pada temperature dan tekanan yang konstan.
c. Proses 3-4
Refrigeran dalam keadaan wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3) kemudian mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak reversibel sehingga tekanan refrigeran menjadi rendah (tekanan evaporator). Refrigeran keluar alat ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur rendah.
d. Proses 4-1
Refrigeran dalam fase campuran uap-cair, mengalir melalui evaporator. Di dalam evaporator refrigeran mengalami proses penguapan sebagai akibat dari panas yang diserap dari sekeliling evaporator. Dengan adanya penyerapan panas ini, maka disekeliling evaporator (ruangan yang dikondisikan) menjadi dingin atau temperaturnya turun. Selanjutnya refrigeran yang meninggalkan evaporator dalam fase uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung pada temperatur dan tekanan yang konstan.
2.2.1 Evaporator
Evaporator berfungsi sebagai penukar kalor, energi penguapan refrigran yang berasal dari katup ekspansi. Penguapan ini bertujuan untuk mengambil panas dari bahan atau ruangan yang akan didinginkan.
Gambar 2.2. Komponen Evaporator
Sebuah evaporator dalam sistim refrigerasi adalah suatu pesawat penukar kalor yang memindah kalor dari zat-zat yang diinginkan ke refrigeran. Pada prinsipnya perpindahan panas yang terjadi dalam evaporator sama dengan perpindahan panas yang terjadi pada kondensor. Hanya saja di dalam kondensor, panas dilepas atau dibuang oleh refrigeran ke media pendingin kondensor sedangkan di dalam evaporator kalor diserap oleh refrigereran dari media yang didinginkan. Evaporator dapat dibagi ke dalam beberapa golongan sesuai dengan keadaan refrigeran yang ada didalamnya yaitu: Jenis ekspansi kering (Dry atau direct expansion evaporator) dan evaporator jenis basah (Fooded evaporator). Pada evaporator jenis ekspansi kering, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui katup ekspansi, pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap kering. Oleh karena sebagian dari evaporator terisi oleh uap refrigeran maka perpindahan kalor yang terjadi tidak begitu besar jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigeran cair.
2.2.2 Kompresor
Kompresor adalah bagian yang terpenting dari mesin refrigerasi. Pada tubuh manusia, kompresor dapat diumpamakan sebagai jantung yang memompa darah ke seluruh tubuh kita. Dalam mesin refrigerasi, kompresor menekan refrigeran ke semua bagian dari sistim. Kompresor ini bekerja membuat perbedaan tekanan sehingga refrigeran dapat mengalir dari satu bagian ke bagian lainnya dari sistim. Karena adanya perbedaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah maka refrigeran cair dapat mengalir melalui alat pengatur refrigeran (Alat ekspansi) ke evaporator. Tekanan gas di evaporator harus lebih tinggi dari pada tekanan gan dalam saluran hisap, agar gas dingin dari evaporator dapat mengalir melalui saluran isap kompresor. Gas dingin tersebut di dalam kompresor hermetic berguna untuk mendinginkan kumparan motor listrik dan minyak pelumas kompresor. Kompreso pada sistim refrigerasi berguna untuk : 1. Menurunkan tekanan di dalam evaporator sehingga refrigeran
cair di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap panas lebih banyak dari ruangan di dekat evaporator.
2. Menghisap refrigeran gas dari evaporator pada suhu dan tekanan rendah lalu memamfatkan gas tersebut sehingga menjadi gas bertekanan dan bersuhu tinggi. Kemudian mengalirkannya ke kondensor hingga gas tersebut berubah fase menjadi cair (pengembunan) dengan melepaskan panas refrigeran ke lingkungan atau kepada zat yang mendinginkan kondensor.
Gambar 2.3. Komponen Kompresor
Tiga jenis kompresor yang umum digunakan antara lain, kompresor reciprocating, sentrifugal dan rotary. Kompresor reciprocating berisi piston yang bergerak bolak-balik di dalam silinder. Reciprocating kompresor yang paling sering digunakan dan bervariasi dalam kapasitas dari sebagian kecil dari satu ton untuk 100 ton refrigerasi per unit. Kompressor sentrifugal berisi impeller dengan berbagai pisau yang berputar pada kecepatan tinggi. Rotary kompresor melibatkan baling-baling yang berputar di dalam silinder. Kompresor dapat dioperasikan dengan motor listrik atau mesin pembakaran internal.
2.2.3 Kondensor
Kondensor berfungsi dalam sistem pendinginan untuk mentransfer panas dari refrigeran ke media lain seperti udara atau air. Dengan membuang panas, pendingin gas mengembun menjadi cairan di dalam kondensor.
Jenis kondensor yang biasa digunakan adalah kondensor berpendingin air, Aircolled dan menguapkan. Dalam kondensor yang berfungsi untuk menguapkan media yang digunakan yaitu udara dan air. Tiga jenis umum dari kondensor berpendingin air adalah pipa ganda, shell and tube dan shell and koil. Dalam kondensor pipa ganda, air di dalam pipa dipompa dan refrigeran mengalir dari pipa luar. Kondensor berpendingin udara dapat berupa tabung dan sirip atau sejenis plat sirip pada tabung. Sirip pada tabung memungkinkan area perpindahan panas yang besar. Kondensor piring tidak memiliki sirip, sehingga membutuhkan daerah permukaan yang jauh lebih besar.
2.2.4 Ekspansion Valve (Katup Ekspansi)
Katup ekspansi pada dasarnya adalah sebuah perangkat matering yang mengontrol aliran refrigeran cair ke evaporator. Katup dioperasikan secara manual atau dengan tekanan serta temperatur pada lokasi yang diinginkan dalam sistem pendingin. Jenis umum dari perangkat matering yang digunakan dalam sistem pendingin meliputi katup ekspansi yang dioperasikan secara manual, katup ekspansi dengan kerja otomatis sisi rendah katup mengambang, katup ekspansi dengan kerja otomatis sisi tinggi katup mengambang, katup ekspansi otomatis dan termostatik katup ekspansi.
Gambar 2.5. Komponen Katup Ekspansi
Secara sederhana, katup ekspansi yang diopersikan secara manual memungkinkan jumlah yang diinginkan dari airan
refrigeran cair yang bertekanna tingii ke refrigerant gas atau cair yang bertekanan rendah. Panas yang diberikan oleh refrigeran cair diserap untuk mengkonversi beberapa cairan menjadi uap. Tekanan rendah mengembangkan katup otomatis yang digunakan dalam evaporator.
2.2.5 Coefficient of Performance (COP)
Suatu pengukuran keefektifan dari sebuah refrigerator adalah koefisien prestasi (COP) didefinisikan sebagai energi yang dibuang dari sumber dibagi dengan kerja yang diperlukan untuk membuang sejumlah energi, yang didefinisikan pada persamaan berikut ini:
Koefisien prestasi COP=
Refrigeran bermanfaatKerja Bersih (2.1)
Koefisien prestasi yang tinggi sangat diharapkan karena hal itu menunjukkan bahwa sejumlah tertentu refrigerasi hanya memerlukan sejumlah kecil kerja (Jones, 2012). Refrigerasi bermanfaat sama dengan perpindahan kalor pada proses 4-1 atau daerah dibawah garis 4-1. Perbedaan antara kalor yang dikeluarkan dari daur dan kalor yang ditambahkan kedalam daur adalah kalor bersih (net heat), yang untuk proses melingkar sama dengan kerja bersih. Oleh karena itu koefisien prestasi pada daur refrigerasi carnot adalah,
Koefisien Prestasi Carnot
(
COP,r
)
=
T 21T1
⁄ -1 (2.2)
Koefisien prestasi daur carnot secara ekseluruhan merupakan fungsi batas-batasan suhu, dan dapat bervariasi dari nol hingga tak hingga. Harga T1 memiliki harga yang lebih rendah dibandingkan dengan harga T2.
2.2.6 Standar COP ASHARE
Berdasarkan Standar ASHARE mengenai Standar COP yang dikehendaki untuk sebuah sistem refrigerasi, berikut pada tabel 2.1. merupakan standar nilai-nilai COP yang diijinkan pada sebuah sistem refrigerasi sesuai dengan sistem refrigerasi yang
digunakan. Standar ini berfungsi untuk menentukan apakah sistem refrigerasi tersebut masih berjalan dengan baik atau memerlukan perbaikan.
Tabel 2.1. COP berdasarkan Standar ASHARE
2.2.7 Refrigeran
Efesiensi mesin carnot bergantung pada kerja dari medium. Serupa dengan hal itu, Coefficient of Performance dari refrigerator Carnot bergantung pada refrigerannya. Refrigeran yang diinginkan adalah yang memiliki sifat kimia, fisik, dan termodinamik yang
dapat memberikan aplikasi yang efesien. Karakteristik refrigeran seperti toksitas, kemudahan terbakar, harga, sifat korosi, ataupun tekanan uapnya dangat penting dalam pemeliharaan refrigerant. Namun belum ada satupun refrigerant yang terbukti memberikan kinerja yang ideal dibawah berbagai kondisi operasi. Refrigeran yang sering dipakai untuk suatu percobaan sederhana tenatng refrigerasi adalah refrigerant 22, selain itu adalah udara, ammonia, karbon dioksida, metil klorida, sulfur dioksida, hidrokarbon, dan lain-lain.
Refrigeran-22 (R22) atau CHCIF2 (Chlorodifluoromethane)
tidak mudah terbakar pada temperatur ruang atau tekanan atmosfer. Walaupun refrigeran ini akan mudah terbakar saat bercampur dengan udara bertekanan rendah dan saat berada didekat sumber api. Refrigeran-22 memiliki sifat fisik dan sifat kimia yang khusus, yang memberikan kelebihan dan kekurangan pada penggunaannya.
2.3 Pengukuran, Kalibrasi dan Ketidakpastian
Suatu proses operasi yang bertujuan untuk memperoleh nilai dalam suatu besarannya disebut pengukuran (Hadisupadmo, 2012). Dalam melakukan pengukuran, pasti dibutuhkan suatu instrument atau alat ukur untuk mempermudah manusia dalam mendapatkan nilai dalam besaran tersebut dengan kondisi yang sesuai pada saat dilakukannya pegukuran. Beberapa komponen penting dalam pengukuran yaitu material/bahan, instrument, pelaku pengukuran metode pengukuran, serta kondisi lingkungan ketika melakukan pengukuran. Komponen penting dalam pengukuran akan mempengaruhi hasil perhitungan ketidakpastian dari alat ukur tersebut. Terdapat dua jenis metode pengukuran, yaitu pengukuran langsung dan pengukuran tak langsung. Dimana, pengukuran langsung merupakan pengukuran yang dilakukan pada alat ukur yang sama, kondisi lingkungan yang sama serta waktu yang bersamaan. Sedangkan pengukuran tidak langsung merupakan pengukuran yang dilakukan pada kondisi yang berbeda, dimana terjadi pergantian alat ukur maupun terjadi perubahan lingkungan serta pada saat pengukuran diperoleh nilai sebenarnya sesuai
besaran yang diukur (dilakukan konversi dari besaran satu ke besaran yang diukur dan memiliki besaran yang berbeda).
2.3.1 Struktur Sistem Pengukuran
Berikut ini merupakan struktur penyusunan sistem pengukuran secara umum yang digambarkan pada sebuah diagram blok pada Gambar 2.6.:
Gambar 2.6. Blok Diagram Sistem Pengukuran (Bentley, 2005)
Berdasarkan blok diagram pada Gambar 2.6, berikut merupakan penjelasan mengenai setiap komponen diagram blok tersebut:
Input adalah besaran yang diukur sesuai dengan nilai sebenarnya.
Sensing element / elemen penyensor adalah suatu elemen yang berhubungan langsung dengan proses dan memberikan output sesuai variabel besaran yang terukur.
Signal conditioning element / elemen pengondisian sinyal adalah elemen yang mendapatkan input dari output pengondisian sinyal yang kemudian dikonversi ke bentuk yang sesuai dengan sinyal elemen penampil agar data diproses ke data selanjutnya.
Data presentation element / elemen penampil data adalah suatu elemen sebagai penampil hasil nilai pengukuran yang dapat dilihat atau dikenali oleh pengamat.
2.3.2 Karakteristik Pengukuran
Dalam sistem pengukuran terdapat 2 tipe karakteristik yang dapat mempengaruhi semua peforma pada sistem. Dua tipe karakteristik tersebut adalah:
a. Karakteristik Statik yaitu karakteristik dari suatu
instrument / alat ukur yang tidak bergantung waktu. Karakter instrument yang termasuk pada karakteristik statik yaitu :
Range / Jangkauan adalah nilai minimum dan maksimum dari input ataupun output spesifikasi instrument (Rentang: I/Omin – I/Omaks).
Span / Range adalah rentang variasi maksimum dari input ataupun output (Rentang input : Imax – Imin, sedangkan Rentang output = Omax - Omin)
Ideal straight line / Linieritas adalah suatu elemen dikatakan linier ketika hubungan nilai input dan output menampilkan garis lurus. Dimana dalam garis lurus tersebut dihubungkan melalui 2 titik, yaiu titik minimum dari selisih input minimum dan output minimum (Imin - Omin) serta titik maksimum dari selisih input maksimum dan output maksimum (Imaks - Omaks). Berikut ini persamaan linieritas :
O-Omin= [Omaks- OminImaks- Imin ] (I-Imin) (2.3) 𝑂𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙= 𝐾𝐼 + 𝑎 (2.5) Dimana:
K = Kemiringan garis lurus ideal = 𝑂𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝑂𝑚𝑖𝑛 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝐼𝑚𝑖𝑛 a = Koofisien garis lurus ideal
= 𝑂𝑚𝑖𝑛− 𝐾𝐼𝑚𝑖𝑛
Non-linieritas adalah dalam beberapa keadaan, bahwa dari persamaan linieritas muncul garis yang tidak lurus yang biasa disebut non-linier atau tidak linier. Didalam fungsi garis yang tidak linier ini menunjukkan perbedaan antara hasil pembacaan actual / nyata dengan garis lurus idealnya. Dengan persamaan sebagai berikut :
𝑁(𝐼) = 𝑂(𝐼) − (𝐾𝐼 + 𝑎) (2.6) 𝑂(𝐼) = 𝐾𝐼 + 𝑎 + 𝑁(𝐼) (2.7)
Sedangkan untuk persamaan dalam bentuk prosentase dari defleksi skala penuh, prosentase maksimum Non-Linieritas dari defleksi skala penuh adalah
𝑁̂
𝑂𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝑂𝑚𝑖𝑛𝑥100% (2.8)
Gambar 2.7. Grafik non-linieritas (Bentley, 2005)
Sensitivitas adalah penunjukan kepekaan sensor terhadap pengukuran (LPF, 2013). Sensitivitas merupakan perubahan selisih output dari setiap perubahan selisih input.
Sensitivitas = ∆O
∆I (2.9)
Hysteresis merupakan perbedaan tertinggi antara 2 nilai output dari pengukuran naik dan turun.
𝐻(𝐼) = 𝑂(𝐼)𝐼↓− 𝑂(𝐼)𝐼↑ (2.10)
% 𝑀𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝐻𝑦𝑠𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠 = 𝐻̂
𝑂𝑚𝑎𝑥−𝑂𝑚𝑖𝑛𝑥 100% (2.11)
Resolusi merupakan perubahan terbesar dari input yang dapat terjadi tanpa adanya perubahan pada output.
Gambar 2.9. Definisi resolusi (Bentley, 2005)
Akurasi: nilai kedekatan antara nilai dari besaran yang terukur dengan nilai yang sebenarnya. (ISO GUM B 2.15; VIM 3.5 dalam KAN DP.01.23)
a. Karakteristik Dinamik
Karakteristik yang menyatakan respon sistem ketika transien pada input konstan serta pada saat input berubah terhadap waktu. Karakteristik orde dalam instrument ada 4 macam, yaitu:
Insrumen Orde Nol, instrumen yang memiliki karakter dari sensitivitasnya, (K) (Perbandingan output dan input).
Instrumen Orde Satu, instrumen yang memiliki karakter dari sensitivitasnya (K) dan Konstanta waktu (τ).
Instrumen Orde Dua, instrumen yang memiliki karakter dari sensitivitasnya (K) dan 2 macam konstanta waktu (τ1 dan τ2). Instrumen Orde Tinggi, instrumen yang memiliki karakter seperti instrumen orde nol, orde satu, atau orde dua namun ditambah dengan waktu mati (Handoko, 2010).
2.3.3 Kalibrasi
Menurut ISO/IEC Guide 17025:2005 dan Vocabullary of International Metrology (VIM), kalibrasi adalah kegiatan yang menghubungkan antara nilai yang terukur oleh suatu instrumen ukur atau sistem pengukuran atau yang diwakili K oleh bahan ukurnya dengan nilai yang telah diketahui dari besaran yang diukur dalam keadaan tertentu. Tujuan kalibrasi yaitu mendukung adanya sistem mutu di industri pada peralatan laboratorium dan peralatan produksi yang ada serta untuk mengetahui besar perbedaan antara nilai yang terukur dengan nilai sebenarnya (LIPI, 2009).
a. Prinsip dasar kalibrasi, yaitu :
Obyek ukur (Unit Under Test)
Standar ukur (mulai dari alat hingga metode yang dilaksanakan)
Teknisi bersertifikat
Pengondisian lingkungan yang sesuai standart b. Hasil dari perlakuan kalibrasi, yaitu :
Mendapatkan nilai obyek ukur
Nilai koreksi atau penyimpangan
Nilai ketidakpastian
Serta sifat metrologi yang lain, seperti faktor kalibrasi dan kurva kalibrasi (LIPI, 2009)
2.3.4 Analisis Ketidakpastian
Ketidakpastian adalah nilai ukur sebaran kelayakan yang dapat dihubungkan dengan nilai terukurnya. Dimana di dalam nilai sebaran tersebut terdapat nilai rentang yang menunjukkan nilai sebenarnya.
a. Klasifikasi ketidakpastian, antara lain :
Tipe A merupakan nilai ketidakpastian yang dilihat dari
analisis pengukuran statistik (ISO GUM B 2.15; VIM 3.5 dalam KAN DP.01.23). Di dalam tipe ini dilakukan pengukuran sebanyak n kali, dimana dari pengukuran tersebut akan mendapatkan nilai rata-rata, standar deviasi, dan data keterulangan. Dimana rumus umum ketidakpastian tipe A sebagai berikut :
- 𝑼𝒂𝟏= 𝜎
√𝑛 (Ketidakpastian hasil pengukuran) (2.12) Dimana: 𝜎 = 𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑡 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑎𝑠𝑖 𝑘𝑜𝑟𝑒𝑘𝑠𝑖 n = Jumlah data 𝜎 = √∑(𝑦𝑖−𝑦̅)2 𝑛−1 (2.13) - 𝑼𝒂𝟐= √ 𝑆𝑆𝑅 𝑛−2 (𝐾𝑒𝑡𝑖𝑑𝑎𝑘𝑝𝑎𝑠𝑡𝑖𝑎𝑛 𝑟𝑒𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖) (2.14) Dimana:
SSR (Sum Square Residual) = ∑SR (Square Residual) SR = R2 (Residu) Yi (Nilai koreksi) = ti – xi (2.15) 𝑌𝑟𝑒𝑔 = 𝑎 + (𝑏 𝑥 𝑡𝑖) (2.16) 𝑎 = 𝑦̅ + (𝑏 𝑥 𝑡𝑖 ̅)𝑖 (2.17) 𝑏 = 𝑛 .∑ 𝑡𝑖𝑦𝑖− ∑ 𝑦 .∑ 𝑡𝑖 𝑛 . ∑ 𝑡𝑖2− (∑ 𝑡𝑖)2 ; (2.18) Dimana: Ti= Pembacaan standar Xi = Pembacaan alat Yi = Nilai koreksi
Tipe B merupakan nilai ketidakpastian yang tidak dilihat
dari analisis pengukuran statistik (ISO GUM B 2.15; VIM 3.5 dalam KAN DP.01.23). Berikut merupakan rumus umum dari ketidakpastian tipe B :
- UB 1 = 1 2𝑥 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑠𝑖 √3 (2.19) - UB 2 = 𝑎 𝑘 (2.20) Dimana:
UB 1 = Nilai ketidakpastian resolusi
UB 2 = Nilai ketidakpastian dari alat standar/kalibrator
Ketidakpastian Baku Gabungan (Kombinasi)
Ketidakpastian baku gabungan disimbolkan dengan Uc,
nilai estimasi standar deviasi dari hasil pengukuran. Nilai ketidakpastian baku gabungan didapat dari menggabungkan nilai-nilai ketidakpastian baku dari setiap taksiran masukan (hukum propagasi ketidakpastian) (ISO GUM B 2.15; VIM 3.5 dalam KAN DP.01.23).
Berikut merupakan rumus umum ketidakpastian baku gabungan: Uc = 2 2 2 1 2 2 2 B B A AI
U
U
U
U
(2.21) Dimana:Uc = Nilai ketidakpastian kombinasi
UA1 = Nilai ketidakpastian hasil pengukuran
UA2 = Nilai ketidakpastian regresi
UB1 = Nilai ketidakpastian resolusi
UB2 = Nilai ketidakpastian kalibrator Derajat Kebebasan Efektif
Derajat kebebasan efektif ini berfungsi sebagai pemilihan faktor pengali untuk distribusi Student’s T serta sebagai penunjuk perkiraan kehandalan ketidakpastian (ISO GUM B 2.15; VIM 3.5 dalam KAN DP.01.23). Derajat kebebasan disimbolkan dengan v, dengan rumus sebagai berikut:
V = n-1 (2.22)
Dimana:
n = Jumlah data
Sedangkan untuk derajat kebebasan efektif merupakan estimasi dari derajat kebebasan ketidakpastian baku gabungan yang dirumuskan sebagai berikut (rumus Welch-Setterthwaite): 𝑉𝑒𝑓𝑓 = (𝑈𝑐)4 ∑(𝑈𝑖)4 𝑉𝑖 ⁄ (2.23) Dimana:
Veff = Derajat kebebasan efektif dari ketidakpastian kombinasi
vi = Derajat kebebasan dari komponen ketidakpastian ke-i
Setelah ditentukan nilai derajat kebebasan effektif, maka dapat dilanjutkan dengan menghitung nilai faktor cakupan sesuai dengan tingkat kepercayaan yang diinginkan, dimana faktor cakupan (k) didapat dari tabel T-students.
Ketidakpastian Diperluas, Uexp
Ketidakpastian diperluas merupakan akhir nilai ketidakpastian dengan tingkat kepercayaan. Tingkat kepercayaan tingkat keyakinan mengenai daerah nilai sebenarnya pada suatu pengukuran (LPF, 2013).
Uexp = k x Uc (2.24)
Dimana:
k = Faktor cakupan
Uc = Nilai ketidakpastian kombinasi
2.4 Temperatur
Temperatur termasuk salah satu sifat yang dimiliki oleh suatu zat atau benda. Temperatur merupakan ukuran intensitas atau level dari tekanan thermis yang dimiliki oleh suatu benda. Suhu tinggi menunjukkan adanya tekanan thermis pada level yang tinggi pula. Sebaliknya, suhu rendah menunjukkan adanya tekanan thermis yang rendah pada benda tersebut. Pada kondisi itu, kita menyebut benda itu mengalami pendinginan.
Kini semakin jelaslah, bahwa nilai temperatur benda merupakan indek dari kecepatan gerak molekul yang ada pada benda tersebut. Menurut teori kinetik, bila penurunan energi internal pada suatu benda berlangsung terus-menerus sehingga nilai energi kinetik internal turun hingga mencapai zero atau nol, maka suhu benda dinyatakan turun ke nilai nol absolut (absolute zero), yaitu sebesar – 273,15 oC, dan pergerakan molekul benda
akan berhenti total.
2.5 Sensor LM35
LM35 adalah sebuah sensor temperatur yang merubah besaran tegangan atau volt menjadi nilai temperatur yang sesuai. Sensor ini mempunyai range pengukuran dari -55oC sampai
dengan 150oC. Sedangkan akurasi pengukuran temperatur +/-
0.25oC pada temperatur ruangan dan +/- 0.75oC pada kisaran -55oC
sampai dengan +150oC. Sensor temperatur LM35 berfungsi untuk
mengubah besaran fisis yang berupa temperatur menjadi besaran elektrik tegangan (Mitchel E. 1994). Sensor ini memiliki parameter bahwa setiap kenaikan 1°C tegangan keluarannya naik sebesar 10mV dengan batas maksimal keluaran sensor adalah 1,5V pada temperatur 150°C.
Alat ini akan melakukan sensing element dengan tingkat keakurasian yang tinggi dalam mengukur temperatur pada tugas akhir yang akan dibuat. Berikut merupakan bentuk fisik dari sensor LM35 yang memiliki 3 buah kaki atau pin, pin pertama yang berfungsi sebagai input, pin kedua berfungsi sebagai output, dan pin ketiga berfungsi sebagai ground.
Gambar 2.10. Sensor LM35
Dalam penggunaannya LM35 dirangkain dengan menggunakan Arduino dan sebagai tampilan menggunkan LCD 2x16. Berikut adalah gambar rangkaian LM35 dengan menggunakan Arduino Uno:
Gambar 2.11. Rangkaian LM35 dengan Arduino Uno
2.6 Air Conditioning Laboratory Unit PA Hilton A575
Air Conditioning Laboratory Unit atau yang biasa disebut dengan Ac Lab. Unit merupakan sebuah simulator pengkondisian udara yang dilengkapi dengan berbagai proses-proses psikometrik. Proses-proses psikometrik seperti pemanasan (heating), pendinginan (cooling), penambahan dan pengurangan kandungan air (humidifying - dehumidifying). Ac Lab. Unit terdiri atas komponen-komponen penyusun pengkondisian udara, seperti kompresor, kondensor, evaporator, heater, blower fab dan water heating. Selain untuk mensimulasikan sistem-sistem pengkondisian udara, juga dapat dilakukan pengukuran yang berkaitan dengan pengkondisian udara seperti temperatur dan kelembaban, tekanan dan lain-lain. Berikut adalah gambar skema peralatan AC Laboratory Unit PA Hilton A575:
Gambar 2.12. Skema Peralatan AC Laboratory Unit PA Hilton
A575
2.7 Mikrokontroller Arduino
Mikrokontroller adalah sebuah chip terintegrasi yang biasanya menjadi bagian dari sebuah embedded system (sistem yang didesain untuk melakukan satu atau lebih fungsi khusus yang real time) (Handjoko, 2012).
Arduino adalah suatu sistem pengendali berukuran mikro yang sumber kodenya dapat diakses secara umum (open-source), perancangan Arduino dibuat untuk mempermudah dalam penggunaan elektronik dalam segala bidang. Pada hardware Arduino menggunakan prosessor berbasis AVR dari pabrikan ATMEL dan software Arduino menggunakan bahasa pemrograman tersendiri serta dapat dijalankan pada OS (Operating System) linux, windows, serta mac.
Gambar 2.13. Board Arduino Uno
Di dalam Arduino telah diberikan bootloader serta standar pin I/O. Arduino memiliki beberapa macam, namun pada bahasan ini menggunakan jenis Arduino Uno USB Microcontroller (ATMEGA 328). Arduino Uno Microcontroller (ATMEGA 328) adalah suatu mikrokontroller yang menggunakan ATMEGA 328 dengan fitur yang dimiliki yaitu 14 pin input/output digital (0-13) berfungsi sebagai input atau output, pada pin 3, 5, 6, 9, 10 dan 11 dapat berfungsi sebagai pin analog output dimana tegangan outputnya dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Nilai sebuah pin output analog dapat diprogram antara 0 – 255, dimana nilai tersebut mewakili nilai tegangan 0 – 5 V. Terdapat 6 buah pin input analog yaitu 0-5 yang berfungsi untuk membaca tegangan yang dihasilkan oleh sensor analog yang membaca nilai sebuah pin input antara 0 – 1023, dimana hal itu mewakili nilai tegangan 0 – 5 V.
2.8 LCD (Liquid Crystal Display) Ukuran 16x2
LCD (Liquid Crystal Display) adalah komponen elektronika yang digunakan sebagai penampil data berupa data karakter, huruf, angka hingga grafik. LCD sudah berupa modul yang siap untu digunakan dengan harga yang murah serta dapat menampilkan banyak bentuk data dengan pemrograman yang lebih mudah dibandingkan dengan komponen penampil elektronik lainnya. Di dalam LCD ini memiliki beberapa pin data, pengatur kecerahan
layar atau kontras layar, serta pengendali catu daya (Nur, 2012). Berikut adalah gambar dari LCD (Liquid Crystal Display) 16x2:
Gambar 2.14. Gambar LCD 16x2
Pada tabel dibawah ini tabel pin dari LCD 16x2:
Tabel 2.3. Pin LCD 16x2 Pin Simbol I/O Deskripsi
1 VSS -- Ground
2 VCC -- Daya Masukan + 5 V
3 VEE -- Sumber daya untuk pengaturan kecerahan tampilan
4 RS I Daftar Pilihan RS (Register Select) = 0 untuk pilihan instruksi. RS =1 untuk pilihan data.
5 R/W I R/W(Read/Write) =0 untuk menulis perintah, R/W= 1 untuk membaca atau menjalankan perintah
6 E I Enable
7 DB0 I/O (tidak disambungkan kemanapun karena menggunakan data 4 bit) 8 DB1 I/O (tidak disambungkan kemanapun karena menggunakan data 4 bit) 9 DB2 I/O (tidak disambungkan kemanapun karena menggunakan data 4 bit) 10 DB3 I/O (tidak disambungkan kemanapun karena menggunakan data 4 bit)
Tabel 2.3. Lanjutan Pin Simbol I/O Deskripsi
11 DB4 I/O Data 4 bit 12 DB5 I/O Data 4 bit 13 DB6 I/O Data 4 bit 14 DB7 I/O Data 4 bit 15 LED + -- VCC 16 LED - -- Ground
2.9 Microsoft Visual Studio 2010
Microsoft Visual Studio.NET merupakan sekumpulan pengembangan peralatan untuk pembuatan aplikasi web, ASP.NET, XML Web Services. Terdapat beberapa bahasa pemrograman di dalam Visual Studio antara lain bahasa pemrograman .NET yaitu Visual Basic, Visual C++, Visual C#(CSharp), dan Visual J#(JSharp).
Dalam tugas akhir ini menggunakan Visual Basic.NET sebagai bahasa pemrogramannya, dimana bahasa pemrograman yang dapat digunakan sebagai pembangun apliaksi-aplikasi .NET di Microsoft.NET. Microsoft Visual yang digunakan yaitu Microsoft Visual Studio 2010.
Di dalam Microsoft Visual Studio 2010 terdapat beberapa perintah atau pengintegrasian yang dapat dilakukan seperti pembutan database dengan menggunakan Microsoft Access sebagai media penyimpanan data, atau menggunakan Microsoft Excel sebagai penampil data dalam bentuk yang lain, dan sebagainnya. Berikut merupakan tampilan dari Microsoft Visual Studio 2010 :
G a m b a r 2 .1 5 . T a m p ila n M ic ro so ft V is u a l S tu d io 2 0 1 0
29
3.1 Diagram Alir Perancangan Alat
Secara umum tahapan-tahapan dalam perancangan alat yang digunakan pada tugas akhir ini dapat digambarkan dalam diagram alir seperti Gambar 3.1. dibawah ini.
Gambar 3.1. Skema Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir
3.2 Keterangan Flowchart
3.2.1 Studi Literatur Sistem Monitoring Temperatur
Pada perancangan alat dari sistem monitoring temperatur dilakukan pengumpulan informasi melalui pembelajaran dari berbagai sumber yang dijadikan literatur seperti jurnal penelitian
yang pernah dilakukan sebelumnya mengenai sistem monitoring temperatur serta buku-buku ilmiah yang terkait dengan sistem monitoring temperatur. Pada perencanaan perancangan alat ini dilakukan pengumpulan informasi mengenai karakteristik dari temperatur yang berada pada komponen kondensor dan evaporator serta mengetahui karakteristik statik dari elemen-elemen yang digunakan pada perancangan alat dan mikrokontroller yang digunakan.
3.2.2 Perancangan Elemen Sensing Sistem Monitoring Temperatur
Dalam tahap ini dilakukan perancangan elemen sensing, dengan menyusun rangkaian sensing dengan keluaran yang stabil dan akurat. Elemen sensing yang digunakan yaitu berupa rangkaian inverting. Berikut adalah gambar dari rangkaian non-inverting:
Gambar 3.2. Rangkaian Non-Inverting
Pada tahap ini dilakukan perancangan elemen pengondisian sinyal pada sistem monitoring dengan menggunakan rangkaian penguat non-inverting yang memperlebar keluaran dari LM35 menjadi 0-5 Volt sehingga nilai tersebut sesuai dengan input yang diperoleh dari mikrokontroller nya yaitu 0-5 Volt. Rangkaian non-inverting yang digunakan dengan menggunakan IC 324 yaitu sebagai IC non-inverting dan perbandingan resistor 350 Ohm dengan 160 Ohm.
3.2.3 Uji Sensor
Sebelum dilakukan pembuatan sistem monitoring secara keseluruhan, dilakukan pengujian rangkaian sensor terlebih dahulu dengan melakukan pengambilan data setiap titik data sesuai spesifikasi sensor. Untuk rangkaian sensor temperatur menggunakan sensor LM35. Dalam pengujian sensor dilakukan dengan bantuan mikrokontroller Arduino sebagai Vin untuk LM35 dan termometer digital sebagai alat pembanding serta pemanas air sebagai media yang akan diukur nilai temperatur nya, berikut adalah spesifikasi dari termometer digital yang digunakan :
Gambar 3.3. Termometer Digital APPA 51
Spesifikasi Termometer Digital APPA 51 : Thermocouple tipe K
Resolusi 1 oC atau 0.1 oC (1 oF atau 0.1 oF )
Akurasi sebesar 0.3 % + 1 oC
Menggunakan baterai 9 Volt Fungsi pembacaan hold
Range pembacaan sebesar -500 sampai 1300 derajat celcius
3.2.4 Perancangan Hardware dan Software Sistem Monitoring Temperatur
Pada tahapan perancangan hardware dan software sistem monitoring temperatur melalui beberapa tahapan yang dapat digambarkan seperti pada diagram blok pada gambar 3.3. berikut ini:
Gambar 3.4. Diagram Blok Alat Ukur Temperatur
Diagram blok tersebut menjelaskan mengenai tahapan dari pembuatan sistem pengukuran yang dilakukan oleh sensor. Mulai dari input, sensor (sensing element), pengkondisian sinyal (signal conditioning element), pemrosesan sinyal (signal processing element), dan penampil data (data presentation element). Perancangan hardware sistem monitoring temperatur melalui beberapa tahap, yaitu pembuatan rangkaian sensor LM35, pembuatan rangkaian signal conditioning kemudian masuk ke pemrograman mikrokontroller arduino untuk pengolahan data dari sensor.
a. Perancangan Hardware Sistem Monitoring Temperatur
Perancangan hardware alat ukur temperatur ini menggunakan sensor LM35. Sensor tersebut berfungsi untuk mengukur temperatur yang berada di komponen kondensor dan evaporator. Sensor LM35 merupakan bagian dari sensing element jika dilihat dari diagram blok. Sensor tersebut mengeluarkan nilai output berupa tegangan yang akan dikonversikan menjadi nilai temperatur pada signal processing, namun sebelum itu dilakukan terlebih dahulu rangkaian pengkondisian sinyal Sebelum output yang dikeluarkan oleh sensor diolah.
Gambar 3.5. Rangkaian Sensor LM35
Pengkondisian sinyal dilakukan dengan menggunakan rangkaian non-inverting seperti yang dilakukan pada tahap perancangan elemen sensing, setelah dilakukan proses signal conditioning kemudian dilakukan pemrosesan sinyal melalui program software pemrograman Arduino Uno. Sinyal yang diproses adalah nilai keluaran dari setiap sensor temperatur. Sinyal yang diterima oleh mikrokontroller adalah sinyal analog dengan nilai output dari sensor yang berupa tegangan. Maka dilakukan pemrosesan sinyal agar nilai voltase tersebut dapat diproses menjadi nilai temperatur dan dapat ditampilkan di LCD (Liquid Crystal Display) karakter 16x2.
b. Perancangan Software Sistem Monitoring Temperatur
Perancangan Software pada tahap ini merupakan bagian dari rangkaian pemrosesan sinyal. Pada tahap ini pemrosesan sinyal menggunakan software Arduino. Rangkaian pemrosesan sinyal ini menggunakan Arduino Uno 328, untuk membuat program dibutuhkan software Arduino 1.0.6. Pada software tersebut, dilakukan coding program untuk mengolah sinyal masukan. Sinyal masukan tersebut berasal dari output yang dihasilkan oleh sensor
LM35, output yang dihasilkan oleh sensor adalah voltase dan jenis sensor masih analog, oleh karena itu pada coding digunakan fitur read analog dan dilakukan pengonkonversian dari tipe data analog menjadi digital.
Gambar 3.6. Software Arduino 1.0.6
Setelah dilakukan pembuatan hardware dan software dilakukan uji pada hardware maupun software. Masing-masing dilakukan pengujian pengambilan data apakah sudah sesuai pada hardware yang telah dibuat dan software yang telah dilakukan,
apabila pada masing-masing masih terjadi kesalahan maka akan dilakukan pembuatan dan pengecekan kembali pada hardware dan software.
3.2.5 Integrasi Hardware dan Software dengan Mikrokontroller dan Display
Setelah dilakukan coding program maka dilakukan pengintegrasian antara hardware dengan software. Didalam software dilakukan penyesuaian Port Personal Computer (PC) yang digunakan untuk melakukan proses uploading program yang ada ke mikro chip dari Arduino Uno 328, penyesuaian tersebut dilakukan dengan menggunakan fitur COM. Kemudian hasil program yang telah diunduh dapat dilihat pada LCD ataupun serial monitor software Arduino apakah tampilan tersebut telah sesuai dengan program yang diinginkan.
3.2.6 Uji Rancangan Sistem Monitoring Temperatur
Uji rancangan sistem monitoring temperatur ini dilakukan untuk mengetahui apakah program yang telah dibuat pada software dan diunduh ke hardware sudah berjalan dengan baik atau belum berjalan dengan baik. Masing-masing dari sensor dicoba untuk mengukur. Jika dari masing-masing sensor masih belum bisa menampilkan data, maka proses pemrograman dan Integrasi software serta hardware dilakukan kembali.
3.2.7 Pembuatan Desain Tampilan di Personal Computer (PC) dengan Software Microsoft Visual Studio 2010 serta Penyimpanan Database
Setelah dilakukan pengintegrasian hardware dan software dari sistem monitoring ini kemudian dilakukan pembuatan tampilan data pada Personal Computer (PC) serta penyimpanan data realtime. Software yang digunakan untuk tampilan data yaitu Microsoft Visual Studio 2010, berikut adalah tampilan dari software Monitoring Temperatur yang dibuat :
Gambar 3.7. Tampilan Form Awal Software
Pada gambar 3.7. merupakan tampilan awal dari software monitoring yang dibuat, terdapat perintah login dan logout, pada perintah login berfungsi untuk membuka form login seperti pada gambar 3.8. Dan logout berfungsi untuk keluar dari software.
Gambar 3.8. Tampilan Form Login Software
Pada gambar 3.8. merupakan tampilan form login dari software, dibutuhkan sebuah user name dan password agar dapat membuka form selanjutnya yang merupakan form menu dimana
disini terdapat beberapa pilihan software dari masing-masing sistem monitoring.
Gambar 3.9. Tampilan Menu Software
Gambar 3.10. Tampilan Utama Penampil Data Sistem
Gambar 3.10. merupakan tampilan utama dari software monitoring temperatur. Pada form ini data temperatur yang diperoleh akan ditampilkan secara real time, selain itu data tersebut nantinya akan dibuat grafik secara real time seperti pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11. Tampilan Form Grafik Data Sistem Monitoring
Temperatur
Dengan menggunakan bahasa pemrograman Visual Basic.NET ditampilkan data yang terbaca oleh alat yaitu nilai Temperatur yang berada pada komponen kondensor dan evaporator berupa angka. Selain itu, pada software ditampilkan grafik temperatur secara real time. Data yang ditampilkan pada software akan disimpan sebagai database pada Microsoft Access, data yang ditampilkan merupakan data real time. Database tersebut dapat disimpan sehingga dapat diolah pada Microsoft Excel. Berikut adalah tampilan database pada Microsoft Access:
Gambar 3.12. Tampilan Database pada Microsoft Access
3.2.8 Uji Software Tampilan Visual Studio 2010 dan Penyimpanan Database
Pada tahap ini dilakukan pengujian dengan cara pengambilan data pada software yang telah dibuat sebagai tampilan data, kemudian dilakukan penyimpanan data pada program database yang telah dibuat. Jika data tidak dapat ditampilkan dan disimpan pada database maka akan dilakukan pemrograman ulang pada software yang digunakan.
3.2.9 Pengambilan Data Karakteristik Statik dan Kalibrasi
Pada tahap pengambilan data karakteristik statik merupakan tahap untuk melihat spesifikasi yang dimiliki oleh sistem monitoring yang telah dibuat. Dimana dengan keterangan data tersebut dapat diketahui nilai range, span, k, sensitivitas, non-linieritas, hysteresis, serta akurasi. Berikut merupakan langkah-langkah pengambilan data karakteristik statik:
Nilai range dan resolusi sistem pengkuran dicatat sesuai spesifikasi sensor temperatur
Kemudian nilai span ditentukan dengan rumus : Imax- Imin dan Omax – Omin
Nilai sensitivitas ditentukan dengan rumus :
Sensitivitas = ∆O
∆I (3.1)
Nilai linieritas ditentukan dari nilai pembacaan input naik, dengan rumus linieritas :
𝑂 − 𝑂𝑚𝑖𝑛= [
𝑂𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝑂𝑚𝑖𝑛
𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠− 𝐼𝑚𝑖𝑛] (𝐼 − 𝐼𝑚𝑖𝑛) (3.2)
𝑂𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙= 𝐾𝐼 + 𝑎 (3.3)
Dimana :
K= Kemiringan garis lurus ideal a = Koefisien garis lurus ideal
Hysteresis ditentukan dengan melakukan pengambilan data input naik dan turun, dengan persamaan hysteresis :
𝐻(𝐼) = 𝑂(𝐼)𝐼↓− 𝑂(𝐼)𝐼↑ (3.4)
% 𝑀𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 ℎ𝑦𝑠𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠 = 𝐻̂
𝑂𝑚𝑎𝑥−𝑂𝑚𝑖𝑛𝑥 100% (3.5)
Nilai akurasi ditentukan dari pembacaan alat dengan pembacaan standar, nilai akurasi ditentukan dari nilai kesalahan akurasi dengan persamaannya, yaitu :
𝐴 = 1 − |𝑌𝑛−𝑋𝑛
𝑌𝑛 | (3.6)
Dengan rumus prosentase akurasi (a) a = 100%-Persen kesalahan
Dimana: Yn = Pembacaan standar
Xn = Pembacaan alat
Setelah melakukan pengambilan data karakteristik alat dilakukan pengambilan data kalibrasi, pengambilan data ini dilakukan dengan pengambilan data menggunakan hardware dari sistem monitoring yang sudah dirancang dengan menggunakan alat ukur standar yang sesuai dengan hardware, alat ukur yang digunakan yaitu alat ukur suhu termometer digital. Dimana dari
data tersebut dapat diketahui baik tidaknya performansi alat ukur yang dibuat. Diharapkan nilai Error yang didapatkan oleh alat ukur sistem monitoring yang sudah dirancang yaitu ±5 %.
Nilai-nilai ketiakpastian yang didapatkan dengan cara kalibrasi secara pembacaan berulang, dengan lagkah-langka sebagai berikut:
Nilai Ua1 dihitung berdasarkan persamaan yang ditunjukkan pada sub bab analisis ketidakpastian (2.12)
Nilai Ua2 yaitu nilai ketidakpastian berdasarkan pendekatan regresi dihitung dengan persamaan sesuai dengan sub bab analisis ketidakpastian (2.14)
Tahap selanjutnya dilakukan perhitungan ketidakpastian berdasarkan nilai selain metode statistik (Ua) atau berdasarkan data yang sudah didapat dengan menggunakan persamaan pada analisis ketidakpastian tipe B (2.20) dan (2.20)
Berdasarkan data UA1, Ua2, Ub1 serta Ub2 ini dapat ditentukan nilai ketidakpastian kombinasi (Uc) sesuai persamaan pada ketidakpastian baku gabungan (2.21) Kemudian dilanjutkan dengan menghitung nilai
ketidakpastian diperluas Uexp yang didapatkan berdasarkan nilai K faktor cakupan dan nilai V faktor kebebasan. Sesuai dengan persamaan pada ketidakpastian diperluas (2.22)
3.2.10Pengambilan Data
Setelah nilai spesifikasi yang didapat, kemudian pada sistem monitoring ini dilakukan pengambilan data temperatur di komponen kondensor dan evaporator secara real-time dan penyimpanan database.
3.2.11Menganalisa Data dan Penarikan Kesimpulan
Pada tahap ini dilakukan analisa data temperatur yang telah diperoleh dari sistem monitoring. Kemudian dari data yang dihasilkan dari pembuatan sistem monitoring temperatur, dilakukan penarikan kesimpulan dari semua elemen yang mempengaruhi data tersebut.
43
4.1 Analisa Data
4.1.1.Hasil Rancang Bangun Sistem Monitoring Temperatur
Berikut ini merupakan hasil dari perancangan sistem monitoring temperatur di komponen kondensor dan evaporator secara real time berbasis Arduino dan tampilan Microsoft Visual Studio 2010.
Gambar 4.1 Alat Ukur Temperatur
Gambar 4.1 merupakan alat ukur temperatur yang menggunakan sensor LM35.
Gambar 4.2. Hardware Sistem Monitoring Temperatur
4.1.2.Pengujian Alat Ukur
Sebelum melakukan pengujian alat dengan menggunakan alat yang standar, terlebih dahulu dilakukan pengukuran nilai voltase dari keluaran sensor LM35 yang digunakan pada alat monitoring temperatur. Nilai voltase ini merupakan nilai yang dihasilkan oleh sensor sebelum masuk pada tahap pemrosesan sinyal sehingga menjadi nilai temperatur. Pengukuran nilai voltase digunakan untuk mengetahui dan memastikan bahwa nilai voltase yang dihasilkan pada saat di uji sesuai dengan nilai temperatur pada setiap perubahannya sesuai dengan datasheet sensor LM35.
Tabel 4.1. Data Voltase LM35
NO Temperatur °C Nilai Voltase (V) 1 24 1.046 2 26 1.186 3 28 1.326 4 30 1.566 5 32 1.706 6 34 1.846 7 36 1.986 8 38 2.126 9 40 2.366 10 42 2.506 11 44 2.646 12 46 2.786 13 48 2.926 14 50 3.066
Berdasarkan Tabel 4.1 data voltase yang didapatkan sesuai sesuai dengan datasheet LM35 yang dilampirkan didalam lampiran. Grafik voltase LM35 dengan nilai temperatur nya sebagai berikut:
Gambar 4.4. Grafik pengujian voltase dan Temperatur
Setelah dilakukan perancangan alat dan pengujian nilai voltase pada sensor LM35 yang digunakan pada sistem monitoring, dilakukan pengujian alat. Pengujian dilakukan dengan membandingkan nilai temperatur yang terbaca oleh alat yang dibuat dengan alat yang standar, pengujian dilakukan dalam rentang temperatur yang diukur yaitu 24 °C – 50 °C pada pemanas air. Pembacaan dilakukan pada setiap kenaikan temperatur sebesar 2°C. Pada setiap pengambilan data temperatur diambil sebanyak 30 data pada masing-masing nilai temperatur yang terbaca oleh alat standar dan alat yang dibuat. Alat standar yang digunakan yaitu Termometer Digital APPA51 yang telah di sebutkan spesifikasi nya pada bab sebelumnya. Berikut ini adalah data yang didapatkan dari pengujian alat:
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 V o lt a s e V Temperatur °C
Grafik Voltase dan Temperatur
Grafik Antara Voltase dan Temperatur
